Aplicación de las Celdas de Anillo Principal Aisladas Sólidamente Inteligentes (SIRMUs) en la Red de Distribución de Qinzhou
1 Introducción
Las regiones costeras enfrentan desafíos ambientales que incluyen fuertes lluvias, rayos, altas temperaturas, alta humedad y corrosión por sal. Para garantizar la seguridad de las redes de distribución urbana en tales entornos, minimizar los cortes de energía causados por el mantenimiento del equipo y prevenir accidentes debido al final de vida útil del equipo y otros factores que afectan la seguridad de la red, hemos investigado el uso de un nuevo tipo de Unidad Principal de Anillo con Aislamiento Sólido (SIRMU). Esta SIRMU ofrece larga duración, operación sin mantenimiento, cumplimiento medioambiental, inteligencia y mayor confiabilidad en el suministro de energía.
Actualmente, más del 90% de las Unidades Principales de Anillo (RMUs) de media tensión dependen del gas SF₆ como medio aislante. El gas SF₆ es químicamente muy estable, posee excelentes propiedades de aislamiento y extinción de arcos, y se utiliza ampliamente en equipos de energía. Los interruptores automáticos aislados con gas SF₆ son compactos. Sin embargo, el gas SF₆ se licúa a bajas temperaturas, reduciendo sus capacidades de aislamiento y extinción de arcos. A altas temperaturas, se descompone en subproductos altamente tóxicos, lo que supone un riesgo significativo para los humanos. Además, las fugas y emisiones son inevitables durante el llenado, operación y recuperación del gas, lo que hace que el SF₆ sea un contaminante ambiental importante. El SF₆ es reconocido internacionalmente como uno de los seis gases de efecto invernadero principales; desde una perspectiva ambiental, su uso debe minimizarse o eliminarse. El principio de diseño de la Unidad Principal de Anillo con Aislamiento Sólido elimina fundamentalmente la necesidad de gas SF₆, proporcionando una garantía básica para la reducción de emisiones y la protección ambiental en el sector de la red de distribución, alineándose fuertemente con los requisitos ambientales.
La Unidad Principal de Anillo con Aislamiento Sólido Inteligente (SIRMU) para extensiones de la red de distribución no solo ofrece ecoamigabilidad y excelente resistencia a entornos adversos, sino también un alto grado de inteligencia. Su funcionalidad abarca todas las características tradicionalmente proporcionadas por los equipos de sistemas de potencia primarios y secundarios en una sola unidad. El producto adopta un enfoque de diseño integrado y modular tanto para componentes de alta tensión como de baja tensión, ofreciendo excelente versatilidad y capacidad de expansión, representando un verdadero dispositivo eléctrico inteligente.
2 Aplicación Técnica de las Unidades Principales de Anillo con Aislamiento Sólido Inteligentes (SIRMUs)
2.1 Aplicación de la Tecnología de Aislamiento Sólido
La tecnología de aislamiento sólido implica principalmente encapsular y sellar las partes vivas del circuito principal del interruptor automático de media tensión con materiales sólidos, o transferir la alta intensidad del campo eléctrico al interior del material aislante sólido. Esto permite que el material sólido soporte potenciales más altos, reduciendo así la intensidad del campo en el aire. Los materiales aislantes sólidos más comunes son la resina epoxi y el caucho de silicona.
La Unidad Principal de Anillo con Aislamiento Sólido (SIRMU) utiliza material aislante sólido como medio aislante principal. Componentes clave del circuito conductor, como los interrumpidores de vacío y sus conexiones, interruptores de desconexión, interruptores de tierra, barras madres principales y barras de ramificación, están encapsulados individualmente o colectivamente en aislamiento sólido, formando uno o varios módulos. Estos módulos están completamente aislados, totalmente sellados, tienen funciones específicas y están diseñados para recombinar y expandirse. Las superficies accesibles para el ser humano están recubiertas con capas de blindaje conductor o semiconductor y están conectadas directa y confiablemente a tierra. Las características clave incluyen aislamiento completo, sellado total, modularidad, tamaño compacto e inteligencia. Las SIRMUs demuestran un rendimiento significativamente superior en comparación con las RMUs de SF₆ en la resistencia a entornos adversos como el frío extremo, gran altitud, humedad y viento/fuego fuertes. Con un diseño totalmente sellado y resistente al agua sin conductores de alta tensión expuestos, son especialmente adecuadas para áreas húmedas y propensas a inundaciones, capaces de proporcionar un suministro de energía confiable en condiciones húmedas o sumergidas.
2.2 Aplicación de la Tecnología de Protección Inteligente
La integración de la tecnología de microprocesadores y computadoras en equipos eléctricos les confiere funciones inteligentes, permitiendo una comunicación bidireccional con centros de control. Esto forma un sistema de monitoreo, protección y gestión de red inteligente. A través de una simple configuración de parámetros, un solo dispositivo inteligente puede realizar convenientemente las funciones que tradicionalmente requieren varios dispositivos.
El diseño estructural de la SIRMU se alinea con los requisitos de las redes inteligentes modernas y resilientes. Utiliza algoritmos rápidos para dotar a los interruptores de capacidad de corte rápida, permitiendo la aislación rápida de líneas defectuosas y evitando eficazmente el disparo en cascada. Equipado con un sistema de protección contra fallas de tierra unifásico, permite la detección en línea de dichas fallas en sistemas no aterrizados (o aterrizados de alta impedancia/PET/PEN) sin necesidad de configuración adicional, proporcionando alarmas u órdenes de corte según valores establecidos. El circuito principal utiliza un diseño modular unifásico, que evita completamente cortocircuitos entre fases durante la operación y mejora significativamente la eficiencia de mantenimiento mientras reduce costos. Un sistema operativo incorporado con una arquitectura de CPU central, que incluye un procesador ARM (ARMP) para el procesamiento general y el control del sistema, junto con un DSP potente para multitarea eficiente, permite el procesamiento de datos, control y comunicación de alta velocidad. Las unidades son estructuralmente compactas, de pequeño tamaño, livianas y fáciles de instalar. Las brechas de aislamiento son visiblemente verificadas para una operación segura. El reconocimiento automático del modo de suministro permite un cambio automático flexible para suministros duales, mejorando la confiabilidad del suministro de energía. La flexibilidad en la comunicación (GSM SMS, GPRS, servicios inalámbricos universales CDMA, fibra, par trenzado, inalámbrico, portador), y el soporte de múltiples protocolos de comunicación, facilita la implementación fácil de la automatización de la distribución.
2.3 Sin Mantenimiento y Ecoamigable
El interruptor principal utiliza un interruptor de vacío sin mantenimiento conocido por su estabilidad y confiabilidad, que no requiere mantenimiento periódico. El diseño integrado del interruptor de desconexión y el interruptor de tierra con el interruptor proporciona una estructura compacta con interbloqueos mecánicos y eléctricos confiables, previniendo eficazmente la operación incorrecta.
2.4 Procesos de Fabricación Clave y Garantía de Calidad para SIRMUs
Para garantizar la estabilidad, consistencia y calidad del producto, asegurando la resistencia a largo plazo del voltaje de aislamiento de los productos SIRMU, los polos aislados sólidos utilizan el proceso de Gelificación Automática por Presión (APG) cuando se fabrican con resina epoxi. Los requisitos de proceso de fabricación para las SIRMUs superan los de las RMUs aisladas con gas SF₆. Un control insuficiente del proceso de fabricación aumenta significativamente la probabilidad y gravedad de defectos y fallos ocultos de aislamiento en comparación con las unidades de SF₆. Se requiere un control estricto de la calidad de las materias primas y capacidades de proceso avanzadas.
El aislamiento externo de su interrumpidor de vacío se logra a través de múltiples medios, incluyendo resina epoxi, caucho de silicona y aire. Por lo tanto, la fuerza dieléctrica de los materiales individuales y el tratamiento de la interfaz entre diferentes medios aislantes son cruciales. Tanto la resina epoxi como el caucho de silicona ofrecen una excelente fuerza dieléctrica, alcanzando 5-6 veces la de aire. Lograr esta fuerza requiere un control estricto del proceso de moldeo, temperatura y presión óptimas, así como asegurar la desgasificación y ventilación de los materiales durante el moldeo para evitar burbujas microscópicas atrapadas. No hacerlo no solo reduce la fuerza de aislamiento, sino que también causa una distribución desigual del campo eléctrico, aumentando la actividad de descargas parciales (PD) y posibilitando riesgos operativos. El tratamiento de la interfaz asegura una suficiente fuerza de aislamiento de la interfaz bajo estrés, ciclos térmicos, etc., previniendo el fallo del aislamiento. Son necesarios métodos de detección confiables para la calidad de la interfaz. Actualmente, la medición de PD, la inspección por rayos X y las pruebas de impulso de rayo pueden evaluar con precisión la fuerza de aislamiento de la interfaz.
La utilización de la inspección por rayos X como prueba de fábrica previene defectos como burbujas, poros o grietas en los ensamblajes de aislamiento sólido y asegura que los interrumpidores de vacío, sus conexiones/términales y las barras de bus aisladas sólidamente no muestren deformaciones visibles anormales en las imágenes de rayos X en relación con sus posiciones. La realización de mediciones de PD previene la iniciación y extinción de PD en debilidades o defectos dentro del aislamiento de la SIRMU causados por campos eléctricos altos, evitando la degradación acumulativa que lleva a la ruptura del aislamiento con el tiempo.
3 Esquema de Diseño Técnico para la SIRMU Inteligente
Basado en una amplia experiencia en la operación de redes de distribución y en el análisis de equipos nacionales e internacionales avanzados, considerando las condiciones prácticas de operación de la red y los requisitos ambientales, determinamos a través de una comparación integral desarrollar y aplicar el proyecto "Investigación de Aplicación de la Unidad Principal de Anillo con Aislamiento Sólido Inteligente de 10kV".
3.1 Contenido Técnico Principal
Se instalan nuevas Unidades Principales de Anillo con Aislamiento Sólido (SIRMUs) del tipo AVR-12 en el sitio original. Se utiliza una configuración de doble suministro, aprovechando las funciones inteligentes de la SIRMU para el aislamiento rápido de líneas defectuosas, la detección rápida de fallas de tierra unifásicas y la transmisión de toda la información de los interruptores a través de fibra óptica a la Estación Maestra de Automatización de Distribución (DMS) o mediante SMS a teléfonos de personal de mantenimiento. Utilizando la plataforma de monitoreo de la estación maestra, se habilita la estadística de datos y el análisis de fallas.
Este proyecto se implementa en los siguientes aspectos:
- Basado en el esquema original de RMU y considerando la importancia del usuario, el suministro de energía se realiza a través de dos líneas entrantes. Durante la operación normal, la Línea Entrante #1 suministra energía mientras que la Línea Entrante #2 está en espera caliente.
- El equipo principal es la Unidad Principal de Anillo del tipo AVR-12, compuesta por 7 compartimentos: 6 compartimentos de interruptores de circuito (CB) y 1 compartimento de Transformador de Potencial (PT).
- Los 6 compartimentos de CB adoptan una estructura CB + Interruptor de Desconexión (DS) + Interruptor de Tierra (ES), equipados con dispositivos de protección integrados.
- El compartimento PT utiliza una estructura DS + PT unifásico, proporcionando alimentación de comunicación. El PT puede conmutarse en/sacarse utilizando el DS en el compartimento PT, permitiendo el mantenimiento del PT o la línea sin requerir un apagón completo de la SIRMU.
- Utilizando SIRMUs de tipo CB permite múltiples interrupciones de corrientes de cortocircuito. En comparación con la protección por fusible, además de eliminar la inconveniencia y el desperdicio de reemplazar los fusibles, proporciona una cobertura completa de protección contra cortocircuitos a través de ajustes de configuración.
Operación Normal:
El controlador inteligente adquiere parámetros (estado del interruptor, estado del interruptor de desconexión, corriente/voltaje primario, corriente/voltaje de secuencia cero, estado de la estación maestra DMS) para cada compartimento de entrada/salida. La carga de datos en tiempo real a través de fibra óptica a la Estación Maestra de Interruptores de Distribución Inteligente permite la operación remota.
Falla de Cortocircuito:
La función de protección rápida del controlador inteligente detecta la corriente de falla y el flujo de potencia en 15 ms y limpia la falla en 25 ms, asegurando el suministro normal de la línea, evitando el disparo en cascada y minimizando el alcance del corte. Las características instantáneas (voltaje, corriente, estado del interruptor) permiten controlar la característica de acción del actuador de imán permanente, acortando el tiempo de limpieza de la falla para aislar rápidamente la línea defectuosa. Simultáneamente, el controlador transmite la información de la acción de la SIRMU a través de fibra a el centro de monitoreo, permitiendo una evaluación oportuna del estado del producto y facilitando la localización de la falla y la restauración de la energía.
Falla de Tierra Unifásica:
El controlador utiliza la magnitud/fase de la corriente de secuencia cero y la magnitud/fase del voltaje de secuencia cero para determinar si ocurre una falla en el lado de carga de la SIRMU. Solo para fallas de tierra en el lado de carga, el controlador emite una orden de protección de corte o alarma y carga la información de la falla a través de fibra. Las fallas en el lado de la fuente no desencadenan acciones del controlador de esta SIRMU.
3.2 Principales Desafíos Técnicos
(1) Aplicar la tecnología de aislamiento sólido y el proceso de fabricación APG para garantizar la confiabilidad, larga vida útil y operación sin mantenimiento de la SIRMU en entornos de alta temperatura y alta niebla salina.
(2) Utilizar un concepto de diseño integrado y flexible que combine la sección primaria de alta tensión del interruptor con la sección de control inteligente secundario. Sensores combinados de corriente/voltaje incorporados permiten la adquisición en tiempo real de señales de voltaje/corriente primarias y el estado del interruptor para un control flexible del actuador del interruptor, optimizando la operación del interrumpidor de vacío.
(3) Detección rápida de la corriente de falla y ejecución de acciones de protección.
Implementación del Proyecto:
Este proyecto emplea RMUs aisladas sólidamente con dispositivos de control inteligente integrados. El interruptor principal utiliza un dispositivo combinado que consta de un Interruptor de Circuito de Vacío Accionado por Imán Permanente (VCB) con un Interruptor de Desconexión (DS) e Interruptor de Tierra (ES) integrados. Equipado con un sistema de control inteligente, realiza funciones de control automático incluso sin la coordinación de DMS. El actuador de imán permanente ofrece alta confiabilidad y operación sin mantenimiento. La comunicación a través de fibra óptica permite la recolección en tiempo real de todos los parámetros de operación de la RMU, simplificando la restauración remota de energía y el análisis de fallas de energía, y acumulando experiencia para dispositivos terminales de red inteligente. Un gabinete exterior de acero inoxidable minimiza el mantenimiento futuro.
4 Conclusión
La Unidad Principal de Anillo con Aislamiento Sólido Inteligente (SIRMU) es una próxima generación de RMU segura, ecológica, estable, confiable y altamente inteligente. Es particularmente adecuada para su implementación en ubicaciones hostiles caracterizadas por gran altitud, variaciones extremas de temperatura, contaminación y humedad.
